Дуговая сварка в защитном газе. Часть 1

За последнее десятилетие XX века доля металла, наплавленного ручной дуговой сваркой, снизилась в 2 раза — с 22,6% до 11,2%, в то время как доля сварки в защитных газах возросла с 64,3% до 75,7%. Есть основания полагать, что в недалеком будущем доля ручной дуговой сварки стабилизируется на уровне 10-12%, доля полуавтоматической сварки сплошной проволокой — на уровне 40-50%, доля полуавтоматической сварки порошковой проволокой — на уровне 30-40%, доля сварки под флюсом — на уровне 5-6%. При этом сварка в защитном газе плавящимся электродом используется не только при механизированной, но и при автоматической и роботизированной сварке.

СУЩНОСТЬ И ПРЕИМУЩЕСТВА

Сварка в защитном газе является одним из способов дуговой сварки. При этом в зону дуги подается защитный газ, струя которого, обтекая электрическую дугу и сварочную ванну, предохраняет расплавленный металл от воздействия атмосферного воздуха, окисления и азотирования. Рисунок 1 поясняет принцип дуговой сварки в защитном газе.

Рис. 1. Принцип дуговой сварки в защитном газе

Преимуществами сварки в защитных газах являются:

высокая производительность (примерно в 2,5 раза выше, чем при ручной дуговой сварке покрытыми электродами);

высокоэффективная защита расплавленного металла, особенно при использовании инертных газов;

возможность визуального наблюдения за сварочной ванной и дугой;

широкий диапазон толщин свариваемых заготовок (от десятых долей миллиметра до десятков миллиметров);

возможность сварки в различных пространственных положениях;

отсутствие необходимости зачищать швы при многослойной сварке;

узкая зона термического влияния.

Существуют следующие разновидности сварки в защитном газе: сварка в инертных одноатомных газах (аргон, гелий), в нейтральных двухатомных газах (азот, водород) и в углекислом газе. Наиболее широкое практическое применение получили: аргонодуговая сварка и сварка в углекислом газе. Инертный газ гелий применяется очень редко ввиду его большой стоимости. Сварка в двухатомных газах (водород и азот) имеет ограниченное применение, так как водород и азот в зоне дуги диссоциируют на атомы, а атомарные азот и водород активно взаимодействуют с большинством металлов.

Сварка в защитном газе может быть ручной, механизированной и автоматической. Ручная сварка применяется при соединении кромок изделий толщиной до 25-30 мм и при выполнении коротких и криволинейных швов. Механизированная и автоматическая сварка применяется при массовом производстве сварных конструкций с прямолинейными швами.

Дуговая сварка в защитном газе производится как неплавящимся, так и плавящимся электродами. Неплавящийся электрод служит только для возбуждения и поддержания горения дуги. Для заполнения разделки кромок в зону дуги вводят присадочный металл в виде прутков или проволоки. Неплавящийся электрод изготавливают из вольфрама. Плавящиеся электроды применяют в виде сварочной проволоки, изготовленной по ГОСТ 2246-70 или из металла, по химическому составу сходному со свариваемым металлом.

При дуговой сварке применяют два способа газовой защиты: струйную местную защиту и общую защиту в камерах.

Струйная защита относится к наиболее распространенному способу местной защиты при сварке. Качество струйной защиты зависит от конструкции и размеров сопла, расхода защитного газа и расстояния от среза сопла до поверхности свариваемого металла. На практике применяют три вида сопл: конические, цилиндрические и профилированные. Лучшая защита обеспечивается при применении профилированных сопл.

При сварке со струйной защитой обеспечивается защита только зоны расплавления. Возможен подсос воздуха в реакционную зону. Поэтому с точки зрения защиты ванны ее нельзя признать совершенной. Для улучшения защиты в ряде случаев, особенно при сварке активных металлов, применяют местные камеры.

Общая защита в герметичных камерах обеспечивает наиболее высокую степень защиты металла в процессе сварки. Это необходимо при сварке особо активных металлов и сплавов (например, титана, циркония, молибдена, тантала, ниобия и сплавов на их основе).

ЗАЩИТНЫЕ ГАЗЫ

Особенностью сварки в защитном газе является то, что дуга горит в струе газа, защищающего металл от вредного воздействия окружающего воздуха. Воздух в зоне сварки смещается защитным газом, который предохраняет от загрязнения расплавленный металл сварочной ванны. Загрязнение вызвано главным образом азотом, кислородом и водяными парами, содержащимися в атмосфере.

Азот, растворившийся в сварочной ванне и оставшийся в отвердевшей стали, уменьшает вязкость и прочность сварного шва, кроме того, способствует образованию трещин. При большом содержании может вызвать пористость шва.

Кислород, попавший в расплавленный металл, реагируя с углеродом с выделением оксида углерода, вызывает пористость шва. При этом снижается содержание углерода в металле. Кроме того, кислород реагирует и с другими элементами, содержащимися в стали с образованием шлаковых включений.

Влага, содержащая в атмосфере, при контакте с расплавленным металлом сварочной ванны вызывает водородное загрязнение, сопровождающееся водородной хрупкостью.

В качестве защитных газов применяют одноатомные инертные газы (аргон, гелий), активные двухатомные газы (азот, водород) и диоксид углерода (углекислый газ). Наибольшее распространение получила сварка с применением в качестве защитного газа аргона (в России наиболее распространена сварка в углекислом газе, как самом дешевом и доступном). Сварка в активных газах имеет ограниченное применение, так как азот и водород в зоне дуги диссоциируют на атомы и в таком виде активно взаимодействуют с большинством металлов.

Теплопроводность защитного газа влияет на температуру дуги, на величину напряжения на дуге и количество тепловой энергии, передаваемой в сварной шов. С увеличением теплопроводности газа для сохранения стабильного горения дуги необходимо увеличивать напряжение на дуге. Например, теплопроводность гелия и углекислого газа значительно выше аргона, из-за этого они передают больше тепловой энергии в сварной шов. Следовательно, гелий и углекислый газ требуют для поддержания стабильной дуги большего напряжения и большей мощности источника сварочного тока.

При выборе защитного газа необходимо учитывать совместимость газа со свариваемым металлом и материалом электрода. Например, углекислый газ и газовую смесь с добавлением кислорода нельзя использовать для сварки алюминия, так как поверхность металла покрывается тугоплавкой оксидной пленкой. Тем не менее, добавка к защитному газу СО2 и О2 полезна при GMAW сварке сталей. Они придают устойчивость дуге и улучшают слияние металла сварочной ванны с основным металлом. Защитный газ также определяет способ передачи металла и глубину проплавления.

Аргон (Ar). Газообразный аргон получают из воздуха и остаточных газов аммиачных производств. Аргон не вступает во взаимодействие с расплавленным металлом сварочной ванны и предохраняет ее от воздействия кислорода и азота воздуха. Используется аргон при сварке плавящимся электродом в качестве защитной среды при сварке цветных металлов и сплавов на их основе (алюминий, медь, магниевые сплавы), химически активных металлов (цирконий и титан), нержавеющих хромоникелевых жаропрочных сплавов и легированных сталей различных марок.

Аргон обеспечивает прекрасную свариваемость, хорошее проплавление и качественный сварной шов для всех перечисленных выше металлов. Для сварки черных металлов аргон обычно используется в смеси с другими газами — кислородом, гелием, двуокисью углерода или водородом. Низкий ионизационный потенциал аргона помогает получить превосходный профиль сварочного шва и стабильные показатели сварки.

Аргон — широко распространенный защитный газ, применяемый для сварки неплавящимся электродом. Он позволяет получать и сохранять хорошую и устойчивую дугу от начала до конца сварки из-за его низкого ионизационного потенциала. Хотя для сварки неплавящимся электродом в целом аргон применяется гораздо чаще, чем гелий, однако при сварке тонколистового алюминия (менее 12 мм) аргон обязательно нужно смешивать с гелием, чтобы обеспечить нужную теплопроводность. В некоторых случаях аргонно-гелиевые смеси используют для зажигания дуги, после чего сварка происходит в присутствии гелия. Этот метод применяется для сварки толстолистового алюминия вольфрамовым электродом на постоянном токе.

Аргоновая дуга имеет высокую концентрацию энергии в центральной области дуги и как следствие — глубокое проплавление.

Аргон — жидкость при температуре -185,9 °С, при нормальных условиях — газ. Аргон не оказывает опасного воздействия на окружающую среду. Газообразный аргон тяжелее воздуха и может накапливаться в слабо проветриваемых помещениях у пола. При этом снижается содержание кислорода в воздухе, что вызывает кислородную недостаточность и удушье.

Газообразный аргон транспортируется в стальных баллонах (ГОСТ 949-73) серого или черного цвета с зеленой полосой и зеленой надписью <Аргон чистый> под давлением 150 кгс/см2. Для перевозок автомобильным транспортом баллоны среднего объема помещают в металлические специальные контейнеры (поддоны). В табл. 1 приведены технические требования, предъявляемые к газообразному аргону.

Таблица 1. Технические требования к газообразному аргону.

Гелий (Не). Газообразный гелий получают из природного и нефтяного газов. Газообразный гелий — инертный газ без цвета, запаха и вкуса. Жидкий гелий — бесцветная жидкость без запаха с температурой кипения при нормальном атмосферном давлении 101,3 кПа (760 мм рт. ст.), 4,215 °К (-268,9 °С) и плотностью 124,9 кг/м3. Гелий не токсичен, не горюч, не взрывоопасен. При высоких концентрациях в воздухе вызывает состояние кислородной недостаточности и удушье.

Гелий используется, когда для улучшения сплавления требуется повышенное тепловложение и когда требуются большее проплавление и высокая скорость сварки. Гелиевая дуга менее стабильная, чем аргоновая. По сравнению с аргоном, гелий имеет большую теплопроводность. Гелиевый столб дуги шире, чем аргоновый, с меньшей плотностью энергии и, как следствие, в отличие от аргона имеет поверхностное проплавление.

Сварка с применением гелия дает широкий шов с малым проплавлением. Высокий потенциал ионизации вызывает повышенное тепловложение, что, в свою очередь, повышает текучесть металла сварочной ванны и улучшает слияние. Гелиевая дуга в отличие от аргоновой при сварке алюминия на переменном токе не обладает очищающим действием.

Гелий часто смешивают с аргоном в различной пропорции. Это позволяет использовать положительные характеристики обоих газов. Добавка аргона улучшает устойчивость дуги. При сварке алюминия дуга обладает очищающим действием. Наличие гелия улучшает свариваемость металла.

Гелий газообразный перевозят в стальных баллонах (ГОСТ 949-73) коричневого цвета с надписью <Гелий> белого цвета в специализированных контейнерах, предназначенных для перевозки гелия, всеми видами транспорта в соответствии с правилами перевозок грузов, действующими на данном виде транспорта. В табл. 2 приведены технические требования, предъявляемые к газообразному гелию.

Таблица 2. Технические требования к газообразному гелию очищенному (ТУ 51-940-80 с изменениями № 1, 2, 3, 4, 5) .

Таблица 3. Технические требования к газообразному гелию высокой чистоты (ТУ 0271-001-45905715-02 от 15.08.02) .

Диоксид углерода (СО2). Диоксид углерода (двуокись углерода, углекислый газ) высокого давления и низкотемпературный получают из отбросных газов производств аммиака, спиртов, а также на базе специального сжигания топлива и других производств. Двуокись углерода выпускается жидкая низкотемпературная, жидкая высокого давления и газообразная.

Жидкая двуокись углерода применяется для создания защитной среды при сварке низкоуглеродистых и некоторых конструкционных и специальных сталей. Углекислый газ, подаваемый в зону дуги, не является нейтральным. Так, под действием высокой температуры диссоциирует на оксид углерода и свободный кислород (СО2 <=> СО + О). При этом происходит некоторое окисление расплавленного металла сварочной ванны, и, как следствие, металл шва получается пористым с низкими механическими свойствами.

Для уменьшения окислительного действия свободного кислорода (при сварке плавящимся электродом) применяют электродную проволоку с повышенным содержанием раскисляющих примесей (марганца, кремния). При этом получается беспористый шов с хорошими механическими свойствами.

Преимущество сварки в среде СО2 — большая скорость сварки и глубокое проплавление. Основной недостаток — крупнокапельный перенос электродного металла и высокий уровень разбрызгивания. Поверхность сварного шва при сварке в среде СО2 обычно сильно окислена.

Диоксид углерода является химически активным газом и не может использоваться для дуговой сварки вольфрамовым электродом. Высокий окислительный потенциал газа может привести к разрушению вольфрамового электрода.

Газообразная двуокись углерода — газ без цвета и запаха при температуре 20 °С и давлении 101,3 кПа (760 мм рт. ст.), имеет плотность 1,839 кг/м3. Жидкая двуокись углерода — бесцветная жидкость без запаха. Двуокись углерода нетоксична и невзрывоопасна, тяжелее воздуха и может накапливаться в слабо проветриваемых помещениях у пола. При концентрациях в воздухе более 5% (92 г/м3) двуокись углерода может вызвать явление кислородной недостаточности и удушье.

Жидкую двуокись углерода высокого давления поставляют в баллонах (ГОСТ 949-73) вместимостью до 50 дм3, в спецтаре по нормативно-технической документации для автотранспорта. Баллоны с двуокисью углерода окрашиваются в черный цвет с желтой надписью <СО2 сварочный>. В табл. 4 приведены технические требования, предъявляемые к диоксиду углерода.

Таблица 4. Технические требования к диоксиду углерода (углекислому газу).

Для снижения влажности углекислого газа рекомендуется устанавливать баллон вентилем вниз и после отстаивания в течение 10-15 мин осторожно открыть вентиль и выпустить из баллона влагу. Перед сваркой необходимо из нормально установленного баллона выпустить небольшое количество газа, чтобы удалить попавший в баллон воздух.

Часть влаги задерживается в диоксиде в виде водяных паров, ухудшая при сварке качество шва. Кроме того, при выходе из баллона от резкого расширения происходит снижение температуры диоксида, и влага, конденсируясь в редукторе (регуляторе давления), забивает каналы и даже полностью перекрывает выход газа. Для предупреждения замерзания влаги между баллоном и редуктором устанавливают электрический подогреватель.

Азот (N2). Азот жидкий и газообразный получают из атмосферного воздуха способом глубокого охлаждения.

Газообразный азот — относительно инертный по своим свойствам газ без цвета и запаха плотностью 1,25046 кг/м3 при 0 °С и давлении 101,3 кПа. Удельный объем газообразного азота равен 860,4 дм3/кг при давлении около 105 Па и температуре 290 °К. Жидкий азот — бесцветная жидкость без запаха с температурой кипения 77,35 °К при давлении 101,3 кПа и удельным объемом 1,239 дм3/кг при температуре 77,35 °К и давлении 101,3 кПа.

Азот не оказывает опасного влияния на окружающую среду. Нетоксичен, но дыхание в среде с содержанием кислорода менее 19% обычно опасно для жизни. Газообразный азот перевозят в стальных баллонах малого и среднего объема (ГОСТ 949-73). Цвет баллона — черный. В табл. 5 приведены технические требования, предъявляемые к азоту.

Таблица 5. Технические требования к азоту.

Кислород (О2). Кислород получают из атмосферного воздуха способом низкотемпературной ректификации, а также путем электролиза воды.

Кислород является химически активным газом и не может использоваться для дуговой сварки вольфрамовым электродом. Высокий окислительный потенциал газа может привести к разрушению вольфрамового электрода.

Кислород — бесцветный газ без запаха и вкуса. Температура кипения -183,0 °С, температура плавления -218,8 °С. Кислород не оказывает вредного воздействия на окружающую среду. Не токсичен, не горюч и не взрывоопасен, однако, являясь сильным окислителем, увеличивает способность материалов к горению. При взаимодействии с горючесмазочными веществами взрывается. Длительная ингаляция газообразного кислорода вызывает поражение органов дыхания и легких.

Технический газообразный кислород транспортируют в стальных баллонах (ГОСТ 949-73) голубого цвета. В табл. 6 приведены технические требования, предъявляемые к кислороду.

Таблица 6. Технические требования к кислороду.

Водород (Н2). Водород является горючим газом, добавляется к защитным газам при сварке неплавящимся вольфрамовым электродом аустенитной нержавеющей стали для снижения оксидирования. Добавка водорода также обеспечивает более высокую температуру и сжатие дуги, что, в свою очередь, увеличивает глубину проплавления металла.

Если рассматривать применение сварочных газов только с точки зрения получения наилучшей защиты реакционного пространства сварочной дуги от наружного воздуха, то оптимальным защитным газом будет аргон. Аргон тяжелее воздуха (плотность 1,78 кг/м3), обладает низким потенциалом ионизации (15,7 В), не вступает в химические взаимодействия с другими элементами и в достаточных количествах содержится в свободном виде, что позволяет получать его из воздуха в ректификационных установках.

В настоящее время аргон широко применяется в качестве защитного газа при сварке алюминиевых сплавов и высоколегированных сталей (особенно нержавеющих хромоникелевых). Однако при сварке углеродистых и низколегированных сталей основных структурных классов на российских предприятиях для MIG/MAG процесса продолжают использовать преимущественно углекислый газ (СО2).

Между тем применение аргона позволяет повысить температуру сварочной дуги, что улучшает проплавление сварного шва, увеличивая производительность сварки в целом. При этом проплавление приобретает «кинжальную» форму, что дает возможность выполнять однопроходную сварку в щелевую разделку металла больших толщин. При сварке в среде аргона (как и иных инертных газов) минимизируется выгорание активных легирующих элементов, что позволяет использовать более дешевые сварочные проволоки.